Новый Мир. № 3, 2000

В России на протяжении нескольких десятилетий продуктивно развивается оригинальное направление синергетики, изучающее локализованные структуры горения и тепла, возникающие в сверхбыстрых, лавинообразных эволюционных процессах, в так называемых режимах с обострением. Это направление представлено научной школой академика РАН А. А. Самарского и члена-корреспондента РАН С. П. Курдюмова. Исследуются механизмы формирования локализованных структур (самоорганизации), их трансформации, синтеза (коэволюции) и распада.

Первоначально изучение локализованных структур горения и тепла было связано с практической задачей удержания клубка плазмы в заданных границах с целью получения температуры, необходимой для начала управляемой термоядерной реакции. Корень технической проблемы заключался в том, чтобы уменьшить контакт раскаленной плазмы со стенками реактора и уменьшить энергетические затраты на удерживающие ее магнитные поля.

Вычислительные эксперименты, проведенные в 60-х годах, показали неожиданную вещь: существует такой режим сверхбыстрого сжатия и разогрева плазмы, при котором показатель ее температуры на графике взлетает вверх почти вертикально, стремясь к бесконечности, а вот пространственный объем клубка, то есть островка тепла в окружающем холодном мире, не расползается, оставаясь в первоначальных границах. Получается, что плазма создает границы вокруг себя из самой себя. Этот нелинейный эффект позволяет в десятки тысяч раз снизить энергию, которая требуется для инициирования реакции термоядерного синтеза.

Необычность такого состояния плазменной среды заключается в том, что в любых нормальных условиях потенциал «тепло — холод» стремится к выравниванию, подобно тому как порция холодного молока, влитого в горячий кофе, делает его теплым. А вот синергетика — чем она и привлекательна для пытливых умов, тяготеющих к необычному в окружающем нас мире, — доказывает возможность движения в противоположном направлении: от расползания к локализации тепла, от равновесия к возрастающему неравновесию и созданию структур в состояниях, далеких от равновесия.

Известное нам второе начало термодинамики, говорящее о росте беспорядка (энтропии) в замкнутых системах, теряет свою силу для открытых нелинейных систем, изучаемых синергетикой. Локализованные, быстро развивающиеся структуры существуют за счет возрастающей хаотизации среды, на основе производства в ней энтропии. Структуры горения как бы интенсивно «выжигают» среду вокруг себя. И организация (порядок), и дезорганизация (энтропия) увеличиваются одновременно. Но на пике обострения процесса разогрева и «подбирания» границ тепла структура становится чрезвычайно шаткой, чувствительной к малейшим флуктуациям, случайным изменениям хода процесса. Они способны инициировать распад сложной структуры или же вывести на иной, противоположный режим — режим спада температуры и расползания тепла.

Преджизнь

Важные результаты, касающиеся спонтанного возникновения упорядоченных структур, были получены к началу 70-х годов и в химии. Они связаны в первую очередь с исследованиями, проводимыми в Свободном университете Брюсселя под руководством Ильи Пригожина — бельгийского ученого русского происхождения (в 1927 году в десятилетнем возрасте он был увезен родителями из России), получившего в 1977 году за свои работы в области неравновесной термодинамики Нобелевскую премию.

«В различных экспериментальных условиях, — пишут Илья Пригожин и его соавтор Изабелла Стенгерс, — у одной и той же системы могут наблюдаться различные формы самоорганизации — химические часы, устойчивая пространственная дифференциация или образование волн химической активности на макроскопических расстояниях»[7].

Химические часы — пожалуй, самый яркий феномен самоорганизации химических процессов, открытый в начале 50-х годов российскими учеными Б. П. Белоусовым и А. М. Жаботинским. Структура, которая здесь образуется, представляет собой не пространственную, а временнбую структуру — колебание с регулярной периодичностью.

Для теоретического описания реакции Белоусова — Жаботинского Пригожин со своими сотрудниками разработал специальную модель, названную брюсселятором. Она выглядит так. Имеются вещества, вступающие между собой в химическую реакцию. Концентрацию только одного из них — «управляющего» вещества — плавно увеличивают. Как только концентрация переходит критический порог (при прочих равных параметрах), прежнее стационарное состояние химической системы становится неустойчивым и концентрации двух других реагирующих веществ начинают колебаться с отчетливо выраженной периодичностью. Колебания происходят вокруг некоторого нестабильного фокуса и выходят на предельный цикл, то есть устанавливается устойчивое периодическое движение.